摘要:本文通過分析發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)、發(fā)酵液特性，結(jié)合儀表檢測(cè)原理，提出了利用阻抗頻譜檢測(cè)法檢測(cè)發(fā)酵罐液位的技術(shù)方案。并通過對(duì)比阻抗頻譜檢測(cè)與其他液位檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，列舉了其在乳品、釀造等其他行業(yè)的成功應(yīng)用，良好的適用性和實(shí)用性使其在沼氣工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

0、引言：
    隨著社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)行動(dòng)的開展，各級(jí)政府為提高農(nóng)民的生活質(zhì)量、改善農(nóng)村環(huán)境，函需改變農(nóng)村臟、亂、差的現(xiàn)狀。利用農(nóng)業(yè)秸稈、畜禽糞便等有機(jī)廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，既可使區(qū)域有機(jī)廢棄物得到有效處理，消除了污染，又可從中獲取清潔能源和有機(jī)肥，因此在農(nóng)村獲得廣泛推廣。沼氣全自動(dòng)化生產(chǎn)工藝中，厭氧發(fā)酵罐是核心設(shè)備，罐內(nèi)發(fā)酵液液位檢測(cè)連鎖是整個(gè)罐體循環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)化的難點(diǎn)，利用現(xiàn)有技術(shù)提供合理的解決方案成為了促進(jìn)沼氣工業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

1、厭氧發(fā)酵罐和沼液的特點(diǎn)：
    厭氧發(fā)酵罐罐頂由薄膜構(gòu)成，罐身及罐底由搪瓷焊接而成，在罐內(nèi)壁布滿熱水管網(wǎng)用來加熱保溫，在罐內(nèi)四周設(shè)有多個(gè)攪拌裝置，不定時(shí)攪拌、混勻發(fā)酵液。厭氧發(fā)酵罐工藝圖如圖1所示。

圖1厭氧發(fā)酵罐工藝圖

    沼氣發(fā)酵罐內(nèi)靜態(tài)沼液由下至上分為沉渣層、活性層、清液層、浮渣層，各層密度不均勻。發(fā)酵罐內(nèi)靜態(tài)沼液級(jí)分布如圖2所示。

圖2發(fā)酵罐內(nèi)靜態(tài)沼液層級(jí)分布圖

    沼液經(jīng)攪拌后，介質(zhì)較為濃稠，具有一定腐蝕性，且容易掛壁，管網(wǎng)加熱會(huì)使內(nèi)部溫度維持在38℃左右。
2、常用的液位檢測(cè)方法及存在問題：
2.1、差壓液位計(jì)檢測(cè)法：
   利用液體的壓強(qiáng)原理，在液體的底部檢測(cè)液體壓強(qiáng)和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓差。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體表面擴(kuò)散工藝在差壓式液位計(jì)平衡電橋的制作中得到了廣泛應(yīng)用。它通過液體底壓強(qiáng)使半導(dǎo)體擴(kuò)散硅薄膜產(chǎn)生形變，引起電橋不平衡，電路輸出與液位高度相對(duì)應(yīng)的電壓，從而獲取液位信號(hào)。[lj    存在問題:穩(wěn)定的介質(zhì)密度是差壓法計(jì)算液位的核心，但是厭氧發(fā)酵過程中酵液密度會(huì)隨著發(fā)酵進(jìn)程不斷變化，取壓口易產(chǎn)生阻塞，使差壓式液位計(jì)會(huì)產(chǎn)生虛假液位，甚至嚴(yán)重影響測(cè)量準(zhǔn)確性。
2. 2、超聲波液位計(jì)檢測(cè)法：
    一般把振動(dòng)頻率超過20 kHz的聲波稱為超聲波，屬于機(jī)械波的一種，其特征是頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，且方向吐強(qiáng)，能夠成為射線而定向傳播。超聲波在液體中的衰減很小，因而穿透能力強(qiáng)，超聲波液位計(jì)測(cè)量液位正是利用了它的這一特征。超聲波液位計(jì)工作時(shí)，超聲波換能器(探頭)發(fā)出高頻脈沖聲波，遇到被測(cè)水面的表面被反射回來，折回的反射回波被換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。聲波的傳播時(shí)間與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比，聲波傳輸距離L與聲速C和傳輸時(shí)間T的關(guān)系可用公式L=CxT2表示。
    存在問題:(1)發(fā)酵液上層浮渣層易隨機(jī)集結(jié)大量厚厚的渣殼，產(chǎn)生不可克服的虛假回波。擔(dān))超聲波液位計(jì)在檢測(cè)有漂浮物的地方，會(huì)影響回波質(zhì)量甚至被吸收，從而影響測(cè)量結(jié)果。(3)發(fā)酵液體部分在罐內(nèi)有加熱管網(wǎng)加熱，液體表面易形成蒸汽，吊裝在罐頂?shù)奶筋^表面易凝結(jié)水珠附著，對(duì)正常測(cè)量造成影響。    此外，受液面隨機(jī)結(jié)渣殼遮擋影響而無(wú)法使用的還有激光、紅外等光學(xué)測(cè)距方法。
2. 3、雷達(dá)液位計(jì)檢測(cè)法：
    利用超高頻電磁波經(jīng)天線向被測(cè)容器的液面發(fā)射，當(dāng)電磁波到達(dá)液面后反射回來，被同一天線接收并檢測(cè)出發(fā)射波及回波的時(shí)差，從而計(jì)算出液面高度。[3]    存在問題:由于發(fā)酵罐內(nèi)攪拌器頻繁攪拌，發(fā)酵液液面波動(dòng)大，反射回波散失嚴(yán)重，天線不能良好接受回波造成，液位信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)。雖然在罐體一側(cè)引出旁通管，直接在旁通管內(nèi)檢測(cè)液位的方案可以有效避免攪拌造成的液面波動(dòng)，但是因?yàn)榘l(fā)酵液的赫稠度高以及浮渣、沉渣很多會(huì)導(dǎo)致上下引流管堵塞，造成旁通管和罐底完全隔離。
2. 4、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)檢測(cè)法：
    基于電磁波的時(shí)域反射原理(TDR)，電磁波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)沿探測(cè)桿向下傳送的電磁脈沖波。當(dāng)電磁脈沖遇到比先前傳導(dǎo)介質(zhì)(比如空氣)介電常數(shù)大的液體表面時(shí)，脈沖波會(huì)被反射。通過超高速計(jì)時(shí)電路計(jì)算脈沖從發(fā)射到反射的時(shí)間差△T，設(shè)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)頂部到液面的距離S=Vx 0T/2，如果導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)到容器底部的距離為H，則液位:=H一s。
    存在問題:發(fā)酵液豁稠掛壁嚴(yán)重，當(dāng)探測(cè)桿浸人發(fā)酵液中再拔出時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多掛料和結(jié)垢，探頭容易產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。同樣受掛料和結(jié)垢影響的液位計(jì)還有電容液位計(jì)、音叉液位計(jì)以及浮球等機(jī)械觸發(fā)型液位計(jì)。

3、阻抗頻譜檢測(cè)法及其優(yōu)勢(shì)“：
   阻抗頻譜測(cè)量是一種利用能夠在50一200MHz之間測(cè)量多個(gè)頻率段電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度的新技術(shù)，這使得阻抗頻譜測(cè)量技術(shù)能夠針對(duì)所監(jiān)測(cè)的介質(zhì)產(chǎn)生獨(dú)特的信號(hào)模型。只有當(dāng)測(cè)量的電磁場(chǎng)與介質(zhì)模型匹配，它的開關(guān)才會(huì)被觸發(fā)。殘?jiān)?、泡沫或其他沉淀物不具備相同的信?hào)模型，因此測(cè)量不受這些因素影響。圖3中針對(duì)水基介質(zhì)的測(cè)量頻譜可直觀表現(xiàn)這一特性。

圖3 LMT針對(duì)水基介質(zhì)檢測(cè)實(shí)例圖
    如圖3所示，只有當(dāng)紅色外形線進(jìn)人開啟區(qū)域時(shí)，才表明存在有足夠多的介質(zhì)可激活傳感器的開關(guān)輸出，其他情況表明僅留下了殘余，泡沫或沉積物。
    阻抗頻譜測(cè)量方法相當(dāng)于把一個(gè)定性的問題進(jìn)行定量細(xì)分，并根據(jù)所需的阻抗頻譜智能觸發(fā)標(biāo)定，很好地避免了發(fā)酵液、結(jié)殼、掛壁、密度不均等一系列物理特性造成的干擾，完美解決了目前常用的厭氧發(fā)酵罐液位檢測(cè)方法中存在的問題。    阻抗頻譜檢測(cè)已經(jīng)作為一項(xiàng)成熟的液位檢測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)罐槽、管道內(nèi)載性液體液位和粉末狀材料物位測(cè)量，及極限監(jiān)測(cè)和防干轉(zhuǎn)保護(hù)。
    目前，該檢測(cè)方法廣泛應(yīng)用于乳品和釀造行業(yè)，如牛奶、酸奶、啤酒、紅酒和汽酒等液位的監(jiān)測(cè)，同時(shí)在果凍、果醬、洗發(fā)水、護(hù)發(fā)素以及制造蠟燭的原蠟等濃度更高的介質(zhì)上，也獲得了成功應(yīng)用。

4、結(jié)束語(yǔ)：
    隨著自動(dòng)化儀表技術(shù)的發(fā)展，液位測(cè)量的方法及相應(yīng)的儀表技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和更新，并沒有哪一種液位測(cè)量?jī)x表能夠適應(yīng)所有的介質(zhì)或環(huán)境，需根據(jù)測(cè)量要求和使用環(huán)境，針對(duì)每種測(cè)量方式的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，在眾多儀表中選擇可靠、準(zhǔn)確、實(shí)用的液位測(cè)量?jī)x表。常用的檢測(cè)方法應(yīng)用在沼液厭氧發(fā)酵罐液位檢測(cè)時(shí)，均存在一定缺陷，而阻抗頻譜測(cè)量方法可以從原理上解決上述問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)沼液液位的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)沼氣工業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義和作用。